Activites de recherche et formation doctorale

2. 4 : Conclusion

Durant les 8 années de travail dans ce domaine, nous avons mis en place une méthodologie, basée à la fois sur des simulateurs efficaces et des bancs d’essais en ensoleillement naturel performants, mis progressivement au point au cours de 4 thèses successives.

Nous avons toujours travaillé avec des partenaires industriels, exigeants, et souvent peu communicatifs sur les résultats obtenus en commun. Mais nous avons connu des succès scientifiques et techniques, tant du côté de la validité de nos résultats de simulation que des procédés innovants que nous avons vus réalisés pour le marché automobile.
Nous aurions pu aller plus loin dans le domaine, mais nous aurions sans doute dépassé la frontière entre la recherche et le développement technologique, car les demandes de prestation devenaient de plus en plus nombreuses, avec des propositions émanant de grands groupes industriels (Renault, Delphi, Alsthom…).
Nous avons cessé nos activités dans le domaine de la thermique des habitacles automobiles mi 1998, à la convergence de plusieurs phénomènes :

• 
  Une montée en puissance de l’accord-cadre entre le Centre d’Energétique de l’Ecole des Mines de Paris et la Direction de la Recherche de Gaz de France, dont j’étais le responsable, qui me prenait de plus en plus de temps ;
  
• 
  Une forte implication personnelle dans le développement des systèmes basés sur des piles à combustibles pour la traction automobile ;
  
• 
  Un redémarrage prévu des activités de recherche et développement autour des procédés solaires thermiques, auquel je tenais à participer ;
  
• 
  Un désengagement des 2 principaux partenaires (TOYOTA et ECIA), à la suite de modification des stratégies industrielles, entraînant des regroupements d’équipes de recherche ;
  
• 
  Une volonté de l’établissement parisien du Centre d’Energétique de l’Ecole des Mines de Paris de prendre en main la suite des recherches avec ses propres partenaires.
  

C’est donc l’équipe de Denis CLODIC, à Paris, qui a repris les activités de recherche dans ce domaine, avec des problématiques plus liées à la climatisation active des habitacles.

Cependant, de ces quelques 8 années passées à participer à la mise au point des innovations avec les industriels du domaine automobile, j’ai retiré de grandes satisfactions, au niveau des résultats concrets obtenus, de la reconnaissance pour l’expertise acquise, et du placement des personnels que j’y ai encadrés.
J’y ai surtout appris l’humilité du chercheur, toujours plein d’idées géniales, devant la dure réalité du monde industriel, avec ses secrets, ses fausses confidentialités, son sens pratique imparable, et ses budgets de recherche parfois généreux, mais toujours très difficiles à obtenir.

3 : Applications aux transferts thermiques dans les bâtiments

Des deux domaines d’études qui ont été mes préoccupations, les études les plus avancées, au début des années 1990, étaient celles consacrées au bâtiment.

Cependant, il était à l’époque impossible de répondre à une question pourtant très simple : quel est le meilleur émetteur de chaleur ? Dit autrement, un convecteur électrique générait-il un meilleur confort thermique qu’un radiateur à eau chaude ? Et lequel consommait le plus d’énergie pour engendrer un confort donné.
Les résultats obtenus par les études que nous avons menées, en partenariat avec l’ensemble des laboratoires français du domaine, ont permis de mieux connaître les transferts thermiques régnant dans les pièces d’habitation, de quantifier les conditions de confort et les consommations énergétiques, pour apporter des solutions technologiques innovantes.
De plus, quand on s’intéresse à l’évolution des températures dans les pièces des bâtiments, on en vient naturellement à étudier :

• 
  les systèmes qui permettent d’en maintenir l’ambiance « confortable », avec la meilleure efficacité énergétique,
  
• 
  les caractéristiques des enveloppes qui bornent le volume intérieur.
  

Une partie non négligeable des travaux de recherche que j’ai menés depuis 1989 est liée à ces deux pôles d’intérêt. Ils sont encore d’actualité début 2007.

3.1 : La thermique des bâtiments

3.1.1 : Les modèles de transfert thermiques internes

En 1990, il existait des modèles « fins » de simulations en régime dynamique, avec un découpage des enveloppes en nombreuses couches homogènes, mais une représentation de la masse d’air.

Des techniques de réduction de modèles, mises en œuvre à partir des modèles fins par analyse modale, permettaient de représenter un bâtiment par une enceinte unique dont le comportement thermique moyen était régi par quelques équations aux paramètres plus ou moins représentatifs de variables physiques.
Par ailleurs, il existait des modèles de régime permanent pour les écoulements d’air, avec pour moteur des panaches autour des émetteurs de chaleur (approche zonale).
Les critères de qualité d’ambiance en vigueur à l’époque, d’ailleurs établis uniquement pour les conditions thermiques régnant dans les bâtiments étaient :

- soit une température moyenne par zone (air ou « résultante » ) ;

- soit basés sur les travaux statistiques de FANGER, établis à la neutralité thermique, en régime permanent, avec la quasi impossibilité de prédire, par des calculs numériques trop lourds ou trop imprécis, l’évolution de ces critères au cours du temps.
Nous avons donc participé au développement de 3 nouveaux environnements de simulation des transferts thermiques à l’intérieur des bâtiments, dont la philosophie était basée sur les principes exposés au chapitre 1 de cet ouvrage.
Les modèles développés pour le Groupe de Recherche sur les Emetteurs de Chaleur (GREC) et pour AISIN SEIKI (logiciel BTHEBES®) restaient des modèles mono volume, mais reprenaient l’approche zonale en régime dynamique, avec couplage aux caractéristiques de l’enveloppe et des systèmes de climatique. Pour Gaz de France, dans le cadre de la constitution d’une modélothèque du bâtiment, les modèles ont été étendus à la représentation de bâtiments complets, avec couplage entre plusieurs pièces avec des états thermiques pouvant être différents.

3.1.1.1 : Le modèle GREC

Les principales innovations apportées dans la connaissance et la prédiction du comportement thermique des bâtiments en relation avec leurs systèmes d’émission de chaleur (radiateurs, convecteurs, planchers chauffants…) l’ont été dans le cadre du Groupe de Recherche sur les Emetteurs de Chaleur [GREC], dont j’ai coordonné les travaux tout au long de son existence, de 1989 à 1996 [L1].

Créé sous l’égide de l’Agence Française pour la Maîtrise de l’Énergie, maintenant ADEME, et avec le concours actif des Directions de la Recherche de Gaz de France et d’Électricité de France, le GREC a regroupé, pendant plus de 7 années, 8 laboratoires français (dont le Centre d’Energétique de l’Ecole des Mines de Paris) travaillant dans le domaine des émetteurs de chaleur. Sa mission était de mettre à la disposition des professionnels des outils numériques et expérimentaux leur permettant de mieux connaître les caractéristiques des émetteurs de chaleur, pour une utilisation plus rationnelle des potentialités spécifiques de chaque système de chauffage.
Les principaux résultats obtenus l’ont été avec la mise au point d’outils numériques, assez simples pour pouvoir simuler le comportement dynamique des émetteurs dans leur environnement sur de longues périodes, mais assez précis pour permettre la comparaison, en régime dynamique, des critères de qualité d’ambiance, donc de différentier le comportement des divers émetteurs.
Le maillage du volume intérieur [5] est basé sur les mêmes principes que ceux qui ont été exposés au chapitre 1, avec 2 éléments thermiques principaux :

• 
  L’émetteur de chaleur, qui engendre un panache, moteur principal du mouvement de l’air dans la pièce ;
  
• 
  Le vitrage, que l’on peut considérer comme une paroi froide, entraînant la création d’une couche limite thermique qui peut être en conflit avec le panache de l’émetteur, quand celui-ci est en allège.
  

F
igure 23 : Exemple de découpage d’une pièce d’habitation équipée d’un émetteur de chaleur localisé en allège de fenêtre
Ce code de calcul, validé par des expérimentations en chambres climatiques, effectuées avec différents émetteurs de chaleur par les partenaires du GREC, a permis de mieux connaître le comportement des différents types d’émetteurs de chaleur, et d’émettre un certain nombre de recommandations à la profession (voir plus loin).

3.1.1.2 : BTHEBES®

En parallèle des travaux effectués pour le GREC, nous avons développé, pour notre partenaire IMRA Europe, un autre code de calcul, en adaptant la méthode générale exposée au chapitre 1, correspondant à une version bâtiment du logiciel ATHEBES® [C16].

Par rapport au modèle développé par le GREC, on a pris en compte l’aspect tridimensionnel des échanges, et on s’est donné la possibilité d’introduire du mobilier, notamment pour des calculs d’éclairement reçu par des plans de travail.
Enfin, les apports solaires ont été traités par absorption uniforme sur toutes les parois éclairées, hypothèse jugée largement suffisante et validée par les résultats d’une étude spécifique.
Ainsi, associant des modèles zonaux générés automatiquement à partir de la description du local, au solveur algébro différentiel BASILE, de la SII SIMULOG, le logiciel BTHEBES® a permis de simuler de façon précise le comportement thermique d’une pièce d’habitation et d’un volume représentant un local industriel. Nous avons validé les résultats obtenus sur les expérimentations effectuées pour le GREC.
De plus, grâce aux zones de jet, nous avons introduit la possibilité de modéliser un chauffage aéraulique. Les jets d’air chaud correspondant ont été traités comme présenté au chapitre 1. La représentation des écoulements internes, en régime dynamique, a été comparée avec succès à des simulations effectuées sur un code spécifique de mécanique des fluides (N3S).

3.1.1.3 : Le modèle complet de bâtiment

Les principales limites du travail effectué tant dans le cadre du développement de BTHEBES® que du GREC étaient liées au fait que les résultats obtenus l’ont été pour une cellule unique et isolée. En collaboration avec Gaz de France, nous avons utilisé l’environnement de modélisation ALLAN-SIMULATION pour simuler des bâtiments complets (jusqu’à un immeuble de 5 étages), en couplant le comportement de divers volumes représentant des pièces de vie ou des appartements, chacun pouvant avoir des comportements thermiques différents.

La thermique des différentes pièces était reliée par la conduction au travers des parois et par les échanges d’air entre pièces au travers des ouvertures (portes intérieures ouvertes ou fermées). Elle était aussi couplée au comportement des systèmes de climatique, avec une prise en compte plus ou moins fine de la génération, de la distribution et de l’émission de chaleur, en fonction de diverses loi de régulation commande.
Avec ces divers environnements de simulation, nous avons pu obtenir des résultats originaux au travers de nombreuses études pour EDF, GDF ou l’ADEME, surtout liées aux émetteurs de chaleur et aux systèmes de chauffage et leur régulation.
On a ainsi pu répondre à un certain nombre de questions telles que :

L’intérêt de la modulation de la puissance d’une chaudière mixte au gaz naturel ;

L’impact de la position du thermostat sur le confort et la consommation d’énergie d’une maison individuelle ;

La part de l’énergie effectivement récupérée dans une ambiance par les ampoules électriques à effet Joule (en comparaison avec les ampoules dites « basse consommation »)…

3.1.2 : Les émetteurs de chaleur : les apports du GREC

Les premiers résultats obtenus dans le domaine de « l’efficacité énergétique des bâtiments », pour employer le terme consacré actuel, ont permis de départager le comportement des émetteurs de chaleur localisés (convecteurs, radiateurs…) ou non (planchers ou plafonds chauffants). Non seulement on a pu synthétiser de façon claire et consensuelle les qualités et défauts des différents types d’émission, mais on a aussi étudié l’impact de leur position dans une pièce, et mis au point un critère de confort universel, en régime dynamique, adapté à l’environnement de simulation.

Ce critère a été conçu et défini précisément par le CSTB dans le cadre du GREC et a été adopté depuis par plusieurs centres de recherche, dont ceux de Gaz de France.
L’ensemble des résultats obtenus a été consigné dans un ouvrage de librairie [L1], paru aux Presses de l’Ecole des Mines, dont j’ai coordonné la rédaction et rédigé la plupart des chapitres. 5 thèses, dont 2 à l’Ecole des Mines de Paris, ont été soutenues dans le cadre du Groupe de Recherche.
Les résultats principaux sont résumés dans le tableau ci-dessous. Dans le cadre de ces travaux, en plus de la coordination générale du groupe de recherche, j’ai participé activement à la définition de la méthode, et à la synthèse des résultats obtenus

Figure 24 : tableau des recommandations d’utilisation des émetteurs de chaleur
Un certain nombre de conclusions issues de ces travaux ont permis de rectifier quelques idées reçues sur les mérites respectifs des différents émetteurs de chaleur.
On pensait que le convecteur électrique était de loin le moins confortable et le plus consommateur d’entre eux. En fait, tous les émetteurs localisés (radiateur, convecteur, panneaux radiants) ont à peu près les mêmes performances, qui sont globalement 10 % inférieures à celles des émetteurs répartis (plancher chauffant et plafond rayonnant).
Le plafond rayonnant était réputé moins bon que le plancher chauffant : nous avons démontré que leurs performances étaient équivalentes.
Le plancher chauffant (basse température) était considéré comme universellement le meilleur de tous les émetteurs. On s’est aperçu qu’il était le moins bon de tous, en terme de consommation énergétique, dans les rez-de-chaussée de maisons individuelles.
Enfin, nous nous sommes dotés d’un critère de quantification du confort thermique compatible avec les régimes dynamiques et la précision de nos calculs.


Figure 25 : quantification du confort thermique généré par un radiateur basse température en allège avec une fenêtre en double vitrage
Le critère GRES, qui est une évolution des critères de FANGER en régime dynamique, est basé sur 4 notes (100 voulant dire 100 % d’insatisfaits).
La note G (pour Global) caractérise l’hétérogénéité des températures dans les différentes zones de la pièce : la valeur minimale est 5 (5% de personnes ne sont jamais satisfaites), et l’écart à la consigne est pénalisé par une loi exponentielle, tant pour les valeurs froides que trop chaudes. Sur la figure, on peut lire, dans 4 cercles (2 pour la position assise, 2 pour la position debout), et pour les hétérogénéités froides et chaudes, la valeur moyenne et les valeurs extrêmes obtenues au cours d’une séquence de simulation. Les résultats obtenus sont excellents pour ce type d’émetteur, équipé d’une régulation performante.
Les 4 groupes de valeurs suivants correspondent à la note R, pour asymétrie de rayonnement (asymétrie horizontale ou verticale) : on intègre le rayonnement issu de 2 demies sphères, au centre de la pièce. Là aussi, on fait le calcul pour 2 positions (assis et debout). Ces écarts sont ensuite traduits en termes d’inconfort, avec une base 0. Dans le cas représenté ici, c’est l’asymétrie horizontale en position assise qui est légèrement moins bonne que les autres. Par contre, nous avons pu noter, pour d’autres émetteurs, des écarts entraînant parfois des notes supérieures à 20.
La note suivante, présentée sur une verticale, présente l’écart tête pieds, noté E. Ce critère pénalise les émetteurs qui stratifient la température de l’air dans la zone « utile ». Ce n’est pas le cas pour cet émetteur.
La dernière note, S, pour température de sol, est la plus mauvaise pour ce type d’émetteur, et en règle générale pour tous les émetteurs localisés : le sol est un peu froid par rapport aux normes de confort. Cette note est bien meilleure pour les émetteurs répartis, planchers ou plafonds chauffants. C’est d’ailleurs sur cette note que ces émetteurs se détachent le plus.
Le GREC a donc obtenu des résultats très importants, qui ont permis de mieux comprendre les transferts thermiques dans une pièce chauffée, ainsi que leur couplage avec différents types d’émetteurs de chaleur. Il a permis de passer de calculs en régime statique à des calculs en régime dynamique, bien plus réalistes quant à leurs prévisions.
Les conclusions de ces travaux ont aussi influencé directement les pratiques en cours :

• 
  Gaz de France a préconisé un abandon de la position en allège des radiateurs, économisant en moyenne un tiers de la longueur des tuyaux d’alimentation en eau chaude ;
  
• 
  Les radiateurs à haute température (80 °C en entrée) ont rapidement été évincés du marché par des radiateurs dits basse température (60 °C) ou « chaleur douce », plus confortable et plus économes ;
  
• 
  Les panneaux radiants, promis par le marketing à un bel avenir ont vu leur part de marché baisser au profit des convecteurs frontaux, moins chers et aussi performants…
  

En conclusion de cette partie, j’ai eu la chance de coordonner cette expérience unique, pour laquelle tous les acteurs de la recherche française du domaine ont travaillé de concert, sous les regards attentifs de l’ensemble de la profession.

Cela m’a aussi permis de mener en parallèle d’autres recherches dans le domaine, et de développer notre propre plate-forme logicielle, avec trois partenaires industriels privilégiés : IMRA Europe, Electricité de France et Gaz de France.

3.1.3 : Le chauffage aéraulique

Le GREC n’avait volontairement pas abordé les émetteurs aérauliques (chauffage à air, ventilo-convecteurs…). En complément des travaux du GREC, une approche quelque peu différente a donc été menée en collaboration avec IMRA Europe, pour sa maison mère (AISIN SEIKI du groupe TOYOTA), dont une partie importante de la production concerne les systèmes aérauliques pour le bâtiment.

Nous avons donc développé le logiciel BTHEBES®, destiné aux transferts thermiques dans les bâtiments, adaptation du logiciel de calcul dédié aux habitacles automobiles ATHEBES® (voir chapitre 2).
Ce logiciel nous a permis de proposer des scénarios de régulation de systèmes aérauliques en fonction de leur position dans une enceinte à chauffer, en vue de générer le meilleur confort thermique au moindre coût énergétique [C22].
La figure 26 montre la carte des températures calculées après la mise en route d’un tel système de chauffage à air dans un atelier.


Figure 26 : Coupe médiane de l’interpolation des températures d’air

3.1.4 : La prise en compte des taches solaires

Dans une étude pour Electricité de France [C21], le maillage plus fin de l’enveloppe et la souplesse du logiciel ont permis de déterminer les conditions définissant la meilleure prise en compte des effets de la tache solaire, limitation souvent très importante des logiciels de thermique du bâtiment.

En effet, une des difficultés principales pour la prédiction du comportement thermique est la prise en compte des flux solaires réellement absorbés par les parois internes. Très souvent, l’erreur entre la prédiction et les mesures en site réel est corrélée à l’intensité de l’ensoleillement, souvent simulé par une « surface sud équivalente ».
A l’intérieur du code BTHEBES®, les apports solaires peuvent être modélisés avec différents niveaux de précision. Nous avons donc testé les différentes options, qui ont ensuite été comparées à des résultats d’essais menés par EDF dans des cellules expérimentales sur le site de Cadarache du CEA.
Un premier niveau de précision permet le calcul purement géométrique du flux solaire réellement absorbé par les parois internes d’une pièce équipée d’une fenêtre. Nous avons fait varier la forme de la pièce, la taille de la fenêtre et les caractéristiques optiques des vitrages et des différentes parois internes. Pour une fenêtre de 2 m² dans une pièce rectangulaire de 4 m par 5, avec un flux solaire de 1000 W, la part de l’énergie réellement absorbée passe de 95 % (parois très absorbantes) à 65 % seulement (parois très claires).
Le deuxième niveau de précision consiste à étaler la tache solaire sur toute la surface directement exposée : c’est le niveau standard du calcul de BTHEBES®.
Pour cette étude spécifique, nous avons développé un troisième niveau de précision, dérivé de ce que nous avions mis au point pour l’habitacle automobile : chaque tache solaire est suivie sur son parcours, et toute surface partiellement exposée au rayonnement direct est subdivisée, à chaque pas de temps, pour tenir compte du déplacement de la tache.
Nous avons alors démontré que, sauf dans les cas où il est très important (tenue de matériau…) de connaître la température maximale atteinte sous la tache solaire, ce niveau de précision n’est pas nécessaire.

3.1.5 : Visualisation des panaches [T6]

De même, toujours pour Electricité de France, nous avons mis au point et testé des outils permettant, entre autres, la visualisation et l’analyse de panaches au-dessus d’émetteurs (notamment les ventilo-convecteurs) dans le cadre d’une thèse que j’ai co-encadrée avec le Groupe de Télédétection et Modélisation du Centre d’Energétique de l’Ecole des Mines de Paris. Les résultats obtenus nous ont permis d’affiner notre découpage zonal en présence de tels émetteurs de chaleurs.